半刚性基层沥青路面病害分析及防治研究

发布时间：2016-09-28 06:30

1 绪论 

1.1 研究目的和意义 
自从 1988 年沪嘉高速公路的建成通车截止到 2015 年底，中国高速公路通车总里程达到 12.5 万公里，超过美国居于世界第一。近几年，我国经济高速发展，公路交通基础设施也取得了突破性的发展，我国已形成比较完善的高速公路网络。但是由于沥青路面长期暴露于自然环境当中并且在行车荷载循环往复的作用下，随着交通量的迅速增长和超载现象的频繁发生，使得部分沥青混凝土路面较早地出现了病害，造成大多数路面结构都达不到设计使用年限的要求。沥青混凝土路面会出现各种形式的病害，例如裂缝、坑槽、车辙、松散、推移、泛油、波浪、拥包等病害，这些病害若不及时维修就会严重影响道路的路用性能和行车安全性。随着我国早期的高速公路陆续进入大修阶段，高速公路路面的养护维修任务也日趋繁重。因此很有必要对沥青路面的病害进行分析研究，探讨防治对策。 目前我国已建成的高等级公路中普遍采用的是半刚性基层沥青路面结构类型。这是因为半刚性基层材料具有强度高、稳定性好、板体性好等优势满足了公路建设经济与技术方面的要求。这也就造成了在今后高等级公路建设中半刚性基层材料仍然会扮演重要角色。但是自从 20 世纪 70 年代，美国等发达国家都减少了采用半刚性基层沥青路面结构。究其原因就是半刚性基层即使在交通量不大，也不可避免的产生干缩裂缝和低温收缩裂缝，进而扩展到沥青面层形成反射裂缝，影响道路的路用性能导致过早破坏。反射裂缝主要对路面性能和耐久性产生以下不利的影响：（1）路表水会通过任何裂缝进入路面结构内部，甚至侵入土基当中，在动水压力作用下不断冲刷路面材料降低沥青与集料的粘着力并且削弱了路基的强度和稳定性。（2）由于裂缝的存在造成路面板体不连续，使得裂缝处应力集中传递给路基顶面过大的应力。（3）路面内一旦出现裂缝若不及时处理，沥青面层底面的拉应力,顶面的剪应力就会大幅增长,进而发展成大面积的网裂、松散、坑槽等破坏，将大大缩短路面结构的寿命。（4）磨耗层在荷载、变温等因素的综合作用下会沿裂缝发生集料和沥青的剥落，进而引起松散、坑槽等病害。因此，反射裂缝是半刚性基层沥青路面的主要病害，有必要对反射裂缝进行深入研究,探讨其形成和扩展机理，并提出有效的防治措施。 
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1.2 研究现状
关于半刚性基层沥青路面断裂分析的理论及反射裂缝防治研究,国内外均已做了大量的研究工作。自从将断裂力学理论与方法应用在沥青路面工程中,依次经过线弹性断裂力学、疲劳断裂力学和粘弹性断裂力学等几种理论的发展阶段。其中线弹性断裂力学提出了应力强度因子、能量释放率、及断裂韧性等参数,为模拟沥青路面开裂提供了科学有效的方法和手段。1971 年 Majidzadeh 最早将断裂力学理论引入道路工程研究中，并应用断裂力学的原理和理论解释路面开裂并预测了沥青混凝土路面的疲劳寿命[1]。 在半刚性基层沥青路面反射裂缝的研究中,由于反射裂缝尖端应力的奇异性，传统的强度理论对一些问题和现象不能给出合理的解释。断裂力学理论认为结构的断裂破坏主要是由结构内部微缺陷引起应力集中或损伤，进而导致超过材料和结构身的容许值，最终导致结构破坏。1979 年 Coetzee 釆用 ANSR-I 有限元程序中的平面应变有限单元，将有效应力作为研究参照，研究了在温度和荷载作用下沥青路面幵裂后裂缝尖端附近的应力场分布，同时认为反射裂缝主要是由于基层开裂后的水平和垂直位移引起[2]。2010 年 Dave 等基于断裂力学的粘着断裂模型来对反射裂缝进行模拟，并且分析了温度荷载作用下沥青路面反射裂缝的发展规律[3]。刘善平等采用空间力学模型并用有限元半解析法及断裂力学理论，分析了半刚性基层沥青路面裂纹问题[4]。陈团结等采用三维有限元方法并且基于动力学和线弹性断裂力学理论，对垂直贯穿路面的横向裂缝扩展问题进行了充分的研究[5]。张亚军等采用结点等参元的有限元分析模型并结合断裂力学理论和奇异单元，对江苏省典型的半刚性基层沥青路面结构在荷载和温度共同作用下反射裂缝的扩展进行了分析[6]。 
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2 沥青路面分析的基本理论 

2.1 线弹性断裂力学基本理论

断裂力学的研究对象包括宏观的断裂现象和微观的结构破坏机理。从宏观上讲，主要包括研究各种环境下结构中裂纹的生成、扩展、失稳开裂及止裂等规律，研究定量地确定裂纹尖端的应力强度因子 K、J 积分和能量释放率等表征应力应变场的参量的方法,通过大量的实验确定带裂纹材料的断裂韧度或临界 J积分值，研究断裂准则及其适用范围和条件并将其应用于工程结构分析 [31]。 线弹性断裂力学主要研究裂纹尖端附近的塑性区很小的情况,将塑性区以外的材料当成线弹性材料而裂纹作为边界条件，由裂纹尖端附近的应力场和位移场来确定促使裂纹扩展的特征参量（表征裂纹尖端场强），还要在大量实验的基础上测定材料的抗裂纹扩展的特征参量（断裂韧度），从而建立裂纹扩展而导致结构失效的条件，即断裂准则。工程结构中的裂缝由于受不同外部荷载的影响，按外加作用力特点及位移特点,可以抽象为张开型、滑开型和撕开型三种基本类型[32][33]。张开型（Ⅰ型）表现为外部荷载正应力σ垂直于裂缝平面，两个裂缝面产生垂直于裂缝平面的相对位移,裂缝向与σ方向垂直的方向扩展。滑开型（Ⅱ型）表现为外部荷载剪应力τ与裂缝面平行且垂直于裂缝前缘，两个裂缝面产生在裂缝平面内且垂直于裂缝前缘的滑移。撕开型（Ⅲ型）表现为外荷载剪应力τ平行于裂缝面且与裂缝前缘平行，两个裂缝面产生在裂缝平面内且平行于裂缝前缘的错动。如图2.1。 

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2.2 沥青混合料粘弹性理论
对路面结构响应主要的影响因素有路面结构设计、路面材料属性、外界荷载以及外部环境等，其中路面材料属性直接影响着路面响应。实际上，材料属性表现为两大类，即弹性和粘性。只具有弹性特性的材料在外荷载作用下其变形一般与时间无关，且一般情况下具有固定的形态。在外荷载作用下只具有粘性特性的材料将产生残余变形且变形是不可恢复。但是沥青混合料的力学特性既不同于传统的弹性固体材料又不同于传统的粘性流体材料。在某些特殊条件下，同时表现粘性和弹性特征，即粘弹性材料。弹性材料的力学响应与外荷载的变化过程无关，而只与当时的外荷载状态有关，即不考虑外荷载的加载历史。然而粘弹性材料不仅和加载历史有关，还与当时的加速度有关，当作用在粘弹性体的时间越短即速度大时，粘弹性性材料表现为弹性，当作用在粘弹性体时间较长即速度小时，粘弹性材料表现为粘性。从粘弹性材料的本构关系中就可以看出力学特性与时间的密切关系，其本构方程一般为时间的函数。 经过对沥青混合料大量的试验，发现在不同温度和不同时间条件下测定的特征函数曲线有着大致一样的形状。这就说明了沥青混合料的粘弹力学特征函数既是时间的函数又是温度的函数。实验证明，粘弹性材料随着温度的下降，其粘性会减弱而弹性会增强；反之，粘弹性材料随着温度的升高，其粘性逐渐增强而弹性减弱。 
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3 半刚性基层沥青路面反射裂缝的建模分析 ...... 21 
3.1 沥青路面反射裂缝的产生和发展 .... 21 
3.2 行车荷载作用下路面结构的分析 .... 22
3.3 温度荷载作用下路面结构的分析 .... 28 
3.4 基层反射裂缝的防治措施.... 34
3.5 本章小结 ...... 38 
4 沥青路面车辙的建模分析 ....... 41 
4.1 沥青路面车辙病害的产生和发展 .... 41 
4.2 沥青路面结构及材料性质与参数 .... 42
4.3 路面作用荷载的确定 ..... 44
4.4 沥青路面结构有限元模型的建立 .... 46 
4.5 沥青路面车辙形成规律及影响因素分析 ..... 47 
4.6 沥青路面车辙的防治措施.... 58 
4.7 本章小结 ...... 63 
5 沥青路面病害处治 ........ 65 
5.1 工程概况 ...... 65 
5.2 沥青路面病害处治方案设计 ...... 66
5.3 沥青路面病害处治质量控制 ...... 71

5 沥青路面病害处治 

5.1 工程概况 

自 1994 年京港澳高速河南段逐段建成并运营以来，交通量逐年递增，交通量总体规模保持较高水平。然而高速公路服务水平却逐年下降，路面纵横缝较多及路况较差已不能满足发展的需要。2012 年起，驻信高速改扩建全面展开，将现有双向四车道扩建为双向八车道。驻信段改扩建工程起于同期规划的漯驻段改扩建项目终点（K0+000=京港澳 K873+306），向南经驻马店市驿城区东、确山县东、信阳市明港东、信阳市东、涩港镇西止于鸡公山互通式立交以南豫鄂省界处（K133+924.75=京港澳 K1007+338），到达改扩建项目终点。路段全长136.848 公里，其中驻马店市境长 58.299 公里，信阳市境长 78.549 公里。驻信段的东、西半幅各车道的路面损坏状况指数（PCI）评价大多为优良，也有部分路段较差。其中行车道破损最为严重，超车道次之，硬路肩相对较好；西半幅的行车道和超车道较东半幅路况较差，硬路肩却优于东半幅。道路的破损状况不仅与行驶车辆有关，道路原本施工压实度、路基的强度及后期养护的好坏同样影响着破损的检测结果。而行车道行驶车辆尤其是重载车辆相对较多，是行车道的损坏程度较其他车道严重的主要原因。 

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结论 

本文基于线弹性断裂力学和粘弹性理论并采用有限元法，分别对半刚性基层沥青路面的反射裂缝和车辙病害进行力学分析和影响因素分析，进而探讨了病害的预防和处治。主要工作体现在以下几个方面： 
（1）通过对半刚性基层沥青路面反射裂缝的建模分析，发现适当增大面层厚度、增大面层模量、增大基层模量均能够抑制荷载型基层反射裂缝的向上扩展。适当减小面层和基层的模量、温缩系数均能抑制基层裂缝的张开型开裂，但是减小基层的模量和温缩系数效果更显著。因此，建议首先从材料及结构方面，面层选用劲度模量大、针入度大、温度敏感性低的沥青或改性沥青，，并且采用合理级配的集料、适当增大面层厚度来提高抗裂性能；基层考虑材料的类型、级配组成、含水量等因素选用温缩系数和干缩变形小的材料，适当降低基层的模量来提高抗裂性能。另外，可以采用加铺土工合成材料、基层顶预切缝、在面层和基层间增加柔性基层、面层与基层间设置应力吸收层等预防基层反射裂缝扩展的技术。 
（2）通过对沥青路面车辙的建模分析，蠕变主要产生于中面层，其次为下面层，中面层承受了较大的剪应力因而更容易发生流动变形，导致该结构层的蠕变越大。环境温度、轴载、行车速度均对沥青路面车辙产生显著的影响，沥青面层厚度增大车辙量增幅逐渐变小。因此，建议应选用间断级配及形成骨架结构的级配类型，并选用粘度大、劲度模量高的沥青并适当添加改性剂、抗车辙剂、纤维稳定剂等提高沥青混合料的抗车辙性能。另外，可以采取面层加土工格栅、路面结构优化组合、加强施工质量和道路运营期管理等措施提高或保证路面的抗车辙能力。 
（3）通过对沥青路面病害处治的实践，只有合理的病害处治方案设计和严格的病害处治质量控制才能使得减少或延缓病害的发生和扩展达到良好的效果。
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参考文献(略) 

本文编号：125048